宽带上网技术简史

在如今这个数字时代，宽带已经成为我们每个人、每个家庭的生活必需品。如果没有它，我们会坐立难安、心绪不宁。

那么，你知道宽带背后的技术原理吗？从最早期的 56k“猫”拨号，到现在的千兆城市、千兆家庭，我们的宽带技术到底经历了怎样的变革？今天这篇文章，我们就来详细了解一下 ——“宽带的故事”。

█ xDSL 和 ISDN

下面这个界面，你见过吗？我相信很多 70 后 80 后的小伙伴，肯定见过，并且非常熟悉。没错，这就是当年我们最初接触互联网时，进行“拨号上网”的界面。那还是 20 多年前，小枣君还在上大学的时候。为了上网，我需要买一块调制解调器卡（Modem，俗称“猫”），插在电脑上。然后把宿舍仅有的一根电话线，插在“猫”上，设置完毕，才能开始拨号。一阵“撕心裂肺”的咯咯吱吱声之后，显示拨号已成功，那就是连上了互联网。拨号上网的网速有多少呢？5KB/s……（号称是 56K 拨号，实际速率是 45Kbps。真正使用时，经常是 1~2KB / s……）是的，你没看错，就是这么慢。当初我们整个宿舍就靠这“涓涓细流”，连到学校系统上选课。当时的心情，请大家自行体会...采用这种原始方式，一旦你拨号上网，电话就无法打通，处于“占线”状态。而且，拨号上网的费用还特别贵，和打电话一样，按照分钟计费（大约 3 毛一分钟）。速度本来就慢，眼看着钱哗哗流走，能把你急死。如果你觉得宿舍的网速慢，那么，也可以选择去网吧。最早的网吧，也是拨号上网。后来，部分网吧开始升级。在这些网吧的门口，往往会写几个大字 ——“ISDN 专线，高速冲浪”。ISDN，就是 Integrated Services Digital Network（综合业务数字网）。它仍然是基于已有的电话网络（PSTN，公共交换电话网）发展起来的技术，可以实现语音、数据和视频等多种信号在同一条线路上进行传输。ISDN 的成本比较高，网速也没快多少。当时中国电信提供的是窄带 ISDN 标准，速率只有 128Kbps，比拨号快 2 倍多一点。几年后，情况终于发生了变化。电信师傅带了一个设备上门，说只要用了这个设备，网速就能“飞升”。打听了一下才知道，这个设备，叫 ADSL 猫（Modem）。电话线插在 ADSL 猫上，然后用网线连接 ADSL 猫和电脑，就可以拨号上网。采用 ADSL 之后，网络速率确实得到了明显提升，从 56Kbps 一下子变成了 1Mbps。到后面，又变成了 2Mbps。这个速率提升，带来了巨大的体验改善 —— 访问网页什么的，都很流畅。聊天发 QQ，就更快了。下载软件、电影和电视剧，也变得可行（以前 56K 根本不敢想）。作为通信工程专业大学生，小枣君当时并不知道，ADSL 的全名叫 Asymmetric Digital Subscriber Line（非对称数字用户线路），属于 DSL 技术的一种。DSL 技术，是美国贝尔通信研究所于 1989 年发明的。ADSL 技术刚刚出现的时候，我很好奇：同样是一根电话线，又不是网线双绞线，怎么速度突然就上来了呢？原来，早期（56K）的时候，我们只占用了铜线的低频部分（4KHz 以下的部分），并没有完全发挥它的全部潜力。而 ADSL 技术，采用频分复用的方式，把普通电话线分为电话、上行和下行三个相对独立的通道，既避免了干扰，又提升了速率。注：具体来说，ADSL 采用 DMT（离散多音频）技术，将原来电话线路 4KHz 到 1.1MHz 频段划分成 256 个频宽为 4.3125KHz 的子频带。其中，4KHz 以下频段仍用于传送 POTS（传统电话业务），20KHz 到 138KHz 的频段用来传送上行信号，138KHz 到 1.1MHZ 的频段用来传送下行信号。相比原始方式，ADSL 不仅速率大幅提升，价格也大幅下降。上网时，不再需要“争分夺秒”。而且，上网和打电话也不再冲突了，可以同时进行。后来，在 ADSL 基础上，又升级出了 ADSL2、ADSL2+，速率也一度能达到 20Mbps。再后来，又有了 VDSL、VDSL2 等一系列技术。这些技术，通常被统称为 xDSL 技术。直到现在，国外有些地方仍然在使用 xDSL 技术。基于 VDSL2 演进出来的 G.Fast，最高理论速度竟然可以达到 1Gbps。前面我们说到，国内有的网吧使用了 ISDN 技术。其实，这个 ISDN 技术的生命周期也比较短，还没怎么搞，ADSL 技术就发展起来了。当时，有的网吧升级了 ADSL，也有的换了别的专线，例如 DDN（Digital Data Network，数字数据网）什么的，那是后话。除了 ADSL 之外，我们身边还出现了广电宽带（有线通）等上网方式。广电宽带，我相信用过的人都印象深刻。其实就是通过有线电视（CATV）的同轴电缆，提供宽带接入的一种方式。

█ EPON 和 GPON

ADSL 带来了网络体验的明显改善。当我们沉浸在这个改善之中时，有一种新的、更牛掰的技术，来到了我们的面前。这个技术，当然就是光纤宽带。ADSL、ISDN，都是基于金属线缆，铜介质。上世纪 60 年代，英籍华裔科学家高锟发表了一篇论文，提出光纤（光导纤维）用于数据通信的理论依据。不久后，美国康宁公司真的拉出了世界上第一根衰耗满足要求的光纤，从此将这个神奇的发明推到了世人面前。70-80 年代，光纤技术发展很快。通信厂商们除了将光纤用于骨干网络之外，也开始研究，将光纤用于接入网络，取代铜缆。于是，就有了光纤接入网的构想。光纤接入网是一个典型的 P2MP（点到多点）架构。其实说白了，就是树型结构，不断分光，实现面向大量用户的光连接。早期的光通信技术比较弱（PDH / SDH 阶段），光纤传输信号衰减大。所以，搞的都是有源光网络（Active Optical Network，AON），需要引入外部能源（电源）对光进行加强（中继），设备更复杂，成本更高。后来，技术逐渐成熟了一些，光可以传得更远了，开始有了无源光网络（Passive OpticalNetwork，PON）。无源光网络，分为 OLT、ODN、ONT / ONU。OLT（光线路终端）是局侧设备，ONT / ONU（光网络单元 / 终端）是用户侧设备（例如光猫）。ODN 是光分配网（Optical Distribution Network），可以理解为 PON 的躯干。PON 的无源，主要是指的这个部分无源，会大幅降低建设和维护成本。PON 的早期阶段（80 年代末），厂商们推出的基本是窄带 PON 技术。这种技术速率很低，不超过 2Mbps。而且，因为厂商们各自为战，所以一直没有形成统一的规范和标准。1995 年，包括 BELLSOUTH、BT、France Telecom 在内的 7 家网络运营商共同发起成立了全业务接入网联盟（FSAN），希望能提出一种统一的光接入网设备标准。不久之后，1997 年，根据 FSAN 的建议，ITU-T（国际电信联盟电信标准分局）推出了 APON 技术体系，也就是 G.983.1 标准。APON，就是 ATM PON。ATM 可不是自动取款机，它是异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode）的缩写。ATM 的本质，就是一种传输协议。老一辈通信人肯定对 ATM 很熟悉，它曾经是 IP 协议的竞争对手，一度非常流行。到了 2001 年，FSAN 和 ITU-T 对 APON 规范进行了升级修订，顺便改了个名，叫做 BPON（Broadband PON，宽带无源光网络）。之所以改名，主要是他们不希望 APON 被人误解为只能提供 ATM 业务。为了进一步提升 PON 的速率标准，2002 年，FSAN 启动了一项新的工作，对 1Gbps 以上的 PON 网络进行标准化。2003 年 3 月，在 FSAN 的建议基础上，ITU-T 颁布 G.984 标准，也就是 GPON（Gigabit-capable PON，千兆比特无源光网络）。就在 FSAN 和 ITU-T 干得热火朝天的同时，另一家标准化组织也没闲着，也开始捣鼓 PON 技术。它就是同样大名鼎鼎的 IEEE（电气和电子工程师协会）。IEEE 是以太网（Ethernet）标准的制定者和大靠山。IEEE 在 1998 年发布了吉比特（Gigabit）以太网标准之后，就寻思着搞一个基于以太网的 PON 标准。2000 年，IEEE 成立了 EFM 工作组，正式启动相关标准化工作。EFM 工作组的全名很有趣，叫做第一英里以太网工作组（Ethernet for the First Mile），归属于制定以太网标准的 IEEE 802.3 组。2004 年 4 月，EFM 工作组大功告成，正式推出了 IEEE 802.3ah 标准，也就是 EPON（Ethernet PON，基于 Ethernet 以太网的 PON）。后来，随着时间推移，ATM 在与 IP 的竞争中逐渐失势没落。APON（BPON）也因为成本、效率等原因被运营商们抛弃，退出了历史舞台。所以，APON（BPON）我就不多介绍了，大家也不需要了解太多。反正大家记住，当时的行业主流，就是 EPON 和 GPON。它们是不同标准组织推出的不同技术体系。两者之间并没有升级演进或替代的关系，可以算是平行发展。两者具体的技术区别，网上资料很多，大家可以另行研究。总之，EPON 和 GPON 各有优劣。简单来说，GPON 带宽更大，带的用户更多，效率更高，但实现起来也更复杂，所以成本也更高。从国内的市场份额来看，EPON 当时在中国电信被普遍采用，而 GPON 更受中国联通和中国移动的欢迎。在海外，除了日本以及少部分国家使用 EPON 之外，大部分国家和地区都是用的 GPON。大家如果有印象的话，大约 2010 年左右，电信师傅开始上门更换设备，不再使用电话线上网了。取而代之的，是接进弱电箱的一根网线。网线的内芯往往会被分开。8 根线芯，其中 2 根接 RJ11 口，连接电话；另外 6 根，接到电脑上，上网。那时候，Wi-Fi 无线路由器也逐渐开始出现，网线可以接到无线路由器上，让更多的台式电脑、笔记本电脑上网。2008 年左右出现智能机后，手机也可以通过 Wi-Fi 上网。我们的互联网接入能力有了又一次飞跃。配合那时候开始出现的 3G / 4G，繁荣的移动互联网时代，正式开启了。刚才说的接进弱电箱的网线，其实基本上属于 FTTB（光纤到大楼）或 FTTC（光纤到路边）技术。以 FTTB 为例，来自运营商的光纤接到大楼弱电机房的 ONU，然后转换成 LAN，接到用户家中。那一时期，还有一个时代特点：2008 年国内电信运营商第三轮重组结束后，中国移动收了中国铁通，也开始以铁通的底子为基础，大力进军家庭宽带市场。后来，联通也加入了战局。这直接导致后来家庭宽带激烈的市场竞争，宽带费用开始大幅下降。没过几年，FTTB 开始变成了 FTTH。入户的不再是网线，而是光纤。我们有了光猫，光纤插在光猫（ONT）上，网络独享，速度变得更快，而且更稳定。

█ 10G PON 和 10G EPON

EPON 和 GPON，都是 1Gbps 这个级别的 PON。注意，这个 1Gbps，并不是用户侧的速率。EPON 和 GPON 只能给用户提供 100Mbps 的速率。很显然，随着时代的发展，这个速率无法满足家庭和企业用户的需求。于是，PON 开始向 10Gbps 级别的演进。2006 年，IEEE 开始立项制定 10Gbit / s 速率的 EPON 系统标准，也就是后来的 IEEE 802.3av，10G-EPON。在该标准中，10G EPON 分为 2 个类型：一是非对称方式，即下行速率为 10Gbps，上行速率为 1Gbps；另一个是对称方式，即上下行速率均为 10Gbps。ITU-T 的 GPON 那边呢，也在演进。2008 年，ITU 启动了下一代 GPON 标准的研究。2010 年，XG-PON 标准诞生，也就是 ITU-T G.987 系列。最开始的时候，XG-PON 也有两种方式，一种是非对称方式 XG-PON1，下行速率为 10Gbps，上行速率为 2.5Gbps；另一种是对称方式 XG-PON2，上下行速率均为 10Gbps。后来，2013 年左右，因为 XG-PON2 这个对称方案难以实现，所以被建议取消。XG-PON1 直接改名成为 XG-PON。再后来，2015 年，对称方案又重启，采用了新名字，叫做 XGS-PON（S 代表 symmetric，对称）。2017 年，ITU 正式通过了 G.9807 XGS-PON 国际标准。现在，业界会把 XG-PON 和 XGS-PON 统称为 XG (S)-PON。XG (S)-PON 和 10G-EPON，都是 10Gbps 级别。在用户侧，实现的速率是 1Gbps，也就是千兆。国内很多地方这些年拼命宣传的千兆城市、千兆家庭，主要是基于这两个技术。大家应该也注意到了，从 2018 年开始，我们家里的宽带，逐渐从 100M 到 200M、500M、1000M。电信师傅三天两头联系你，上门“免费”换设备。运营商也经常搞活动，办理各种 199 元、299 元的套餐，升级家里的宽带。但实际上，大部分用户可能会感觉到，从 100M 开始，升级所谓的宽带网络套餐，其实并没有什么体验上的差异。这其实并不奇怪，100-200M 的带宽，对于我们玩游戏、追剧、看高清视频，真的已经够用了。除非家庭成员较多，或者是发烧友，否则，对高网速并没有刚性需求。相比之下，Wi-Fi 的质量体验，反而是一个瓶颈。经常出现家里 100M 宽带的情况下，手机仍然“转圈圈”的现象。基于这一点，运营商提出的解决方案，是“全屋千兆”，也就是 FTTR，光纤入房间。把光纤拉到每一个房间，然后通过 Wi-Fi，实现体验改善。小枣君个人认为，对于大户型和高端用户，FTTR 确实是一个不错的选择。但是，对于大部分家庭来说，FTTR 似乎有一点“超前”。FTTR 也分为 FTTR-H 和 FTTR-B。前者面向家庭，后者面向企业（商场、园区、医院、学校等）场景。从这个角度来看的话，市场倒是非常广阔的。好啦，写到这里，基本上就是我们目前的宽带现状了。那么，我们的宽带技术是不是已经到顶了？接下来，我们还会有更厉害的技术吗？请看下期 ——50G PON 的隆重登场！本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

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